黃病毒NS5抑制STAT2在結構生物學領域的最新研究進展

2020-12-05 騰訊網

I型幹擾素（IFN）介導的先天性免疫反應是宿主抵禦病毒感染的第一道防線【1】。誘導I型幹擾素信號需要激活STAT2，STAT2可以觸發數百個IFN刺激基因（ISGs）的表達來抑制感染【2】。為了獲得成功的感染，病毒必須抑制由STAT2觸發的IFN反應的激活。ZIKV和DENV兩種病毒通過使用各自的NS5去抑制hSTAT2介導的幹擾素應答【3】【4】【5】。對宿主和病毒之間的這種「軍備競賽」的機械理解對於開發新的病毒感染治療策略至關重要。

圖1 ZIKV/DENV-NS5介導的hSTAT2降解和IFN反應抑制模型

STAT2屬於轉錄調節因子4的七個成員STAT家族，包含一個N端結構域（ND）、一個螺旋線圈結構域（CCD）、一個DNA結合域（DBD）、一個連接域（LD）、一個SRC同源2（SH2）結構域、一個含有尾段的酪氨酸磷酸化（pY）位點和一個轉錄激活域（TAD）；NS5包含一個N-末端甲基轉移酶（MTase）結構域，該結構域催化病毒RNA加帽，以及一個負責複製病毒基因組的RdRP域。這些NS5蛋白直接與hSTAT2結合，並通過蛋白酶體介導的途徑促進其降解。（圖2）

圖2 ZIKV病毒和hSTAT2的序列分析

2020年8月10日，美國加州大學河濱分校生物化學系的Jikui Song教授在頂尖學術期刊Nature Structural and Molecular Biology在線發表題為「Structural basis for STAT2 suppression by flavivirus NS5」的研究成果。該研究通過晶體學和冷凍電鏡的方法，解析了ZIKV病毒NS5和hSTAT2之間的相互作用關係，並揭示這些相互作用與hSTAT2-IRF9結合競爭，對hSTAT2的降解、抑制I型幹擾素反應和有效的病毒感染至關重要。同時，通過對DENV NS5-hSTAT2進行EM和細胞分析，發現DENV NS5-hSTAT2的相互作用方式與ZIKV NS5相似，從而揭示這兩種黃病毒中存在一種保守的hSTAT2-NS5參與機制。

圖3 ZIKV病毒NS5的RdRP結構域和hSTAT21-713的晶體結構

圖4 ZIKV病毒NS5全長序列和hSTAT21-713的冷凍電鏡結構

通過對NS5與hSTAT2相互作用界面分析，發現hSTAT中的F175A和R176A突變顯著降低了hSTAT2與NS5的結合（圖5g）；同樣的，對ZIKV病毒NS5的MutDH（D734A、H855A）、MutYDH（Y25A、D734A、H855A）、MutRDH（R327A、D734A、H855A）或MutYRDH（Y25A、R327A、D734A、H855A）進行突變也大大減弱NS5-hSTAT2的結合（圖5h）。最後，通過免疫螢光的方法，表明ZIKV NS5-hSTAT2相互作用是ZIKV NS5和hSTAT2細胞質共定位的基礎（圖5i）。

圖5 ZIKV-NS5-hSTAT2相互作用的細胞分析

進一步的研究表明，野生型的DENV-2 NS與hSTAT2有強烈的相互作用，但DENV-2的單位點突變D732A或L853A、雙位點突變D732A L853A則與hSTAT2沒有互作（圖6c）。此外，和hSTAT2的異位表達導致野生型而不是D732A L853A突變的DENV-2 NS5保留在細胞質（圖6d）。這些結果表明，DENV-2 NS5和ZIKV NS5以類似的方式與hSTAT2結合。

圖6 DENV-2 NS5-hSTAT2相互作用分析

研究進一步評估ZIKV NS5-hSTAT2相互作用對hSTAT2穩定性和細胞內相關I型幹擾素反應的影響。野生型ZIKV NS5在293T細胞中的表達導致內源性hSTAT2蛋白水平的劑量依賴性降低（圖7a）。同時，在幹擾素處理的293T細胞中，野生型ZIKV NS5的表達，而非NS5 MutYRDH的表達，導致ISG54和OAS-1表達的劑量依賴性降低（圖7c）。同時，轉染野生型NS5的細胞表現出對RIG-I、TBK1或IRF3激活的螢光素酶活性的顯著抑制（圖7d）。

圖7 ZIKV-NS5-hSTAT2相互作用在ZIKV-NS5介導的hSTAT2降解和I型幹擾素信號抑制中的作用

該研究解析了hSTAT2與ZIKV和DENV的NS5蛋白複合物的晶體結構和冷凍電鏡結構並解釋了以下結論。第一，NS5的甲基轉移酶結構域和RdRP結構域形成一個保守的結構域裂口，隱藏了hSTAT2的coiled-coil結構域，從而抑制了hSTAT2與IRF9的結合；第二，ZIKV NS5-hSTAT2相互作用，介導了hSTAT2的降解和抑制I型幹擾素的產生。

1. Hoffmann, H. H., Schneider, W . M. & Rice, C. M. Interferons and viruses: an evolutionary arms race of molecular interactions. Trends Immunol. 36, 124–138 (2015).

2. Sadler, A. J. & Williams, B. R. Interferon-inducible antiviral effectors. Nat. Rev. Immunol. 8,559–568(2008).

3. Ashour, J., Laurent-Rolle, M., Shi, P . Y . & Garcia-Sastre, A. NS5 of dengue virus mediates STAT2 binding and degradation. J. Virol. 83, 5408–5418 (2009).

4. Grant, A. et al. Zika virus targets human STAT2 to inhibit type I interferon signaling. Cell Host Microbe 19, 882–890 (2016).

5. Morrison, J. et al. Dengue virus co-opts UBR4 to degrade STAT2 and antagonize type I interferon signaling. PLoS Pathog. 9, e1003265 (2013).

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